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電荷

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兩個電荷之間互相施加於對方的作用力:同性相斥,異性相吸。

電磁學裡,電荷英語:electric charge)是物質的一種物理性質。稱帶有電荷的物質為「帶電物質」。兩個帶電物質之間會互相施加作用力於對方,也會感受到對方施加的作用力,所涉及的作用力遵守庫侖定律。電荷分為兩種,「正電荷」與「負電荷」。帶有正電荷的物質稱為「帶正電」;帶有負電荷的物質稱為「帶負電」。假若兩個物質都帶有正電或都帶有負電,則稱這兩個物質「同電性」,否則稱這兩個物質「異電性」。兩個同電性物質會相互感受到對方施加的排斥力;兩個異電性物質會相互感受到對方施加的吸引力。

電荷是許多次原子粒子所擁有的一種基本守恆性質。稱帶有電荷的粒子為「帶電粒子」。電荷決定了帶電粒子在電磁方面的物理行為。靜止的帶電粒子會產生電場,移動中的帶電粒子會產生電磁場,帶電粒子也會被電磁場所影響。一個帶電粒子與電磁場之間的相互作用稱為電磁力電磁交互作用。這是四種基本交互作用中的一種。

度量[編輯]

電荷的量稱為「電荷量」。在國際單位制裡,電荷量的符號以Q為表示,單位是庫倫(C)。研究帶電物質相互作用的經典學術領域稱為經典電動力學。假若量子效應可以被忽略,則經典電動力學能夠很正確地描述出帶電物質在電磁方面的物理行為。

20世紀初,著名的油滴實驗證實電荷具有量子性質[註 1],也就是說,電荷是由一堆稱為基本電荷的單獨小單位組成的。基本電荷以符號e標記,大約帶有電荷量(電量)1.602× 10-19庫侖夸克是個例外,所帶有的電量為e/3的倍數。質子帶有電荷量e;電子帶有電荷量-e。研究帶電粒子與它們之間由光子媒介的相互作用的學術領域稱為量子電動力學

歷史[編輯]

西元前600年左右,希臘的哲學家泰勒斯(Thales, 640-546B.C.)記錄,在摩擦貓毛於琥珀以後,琥珀會吸引像羽毛一類的輕微物體,假若摩擦時間夠久,甚至會有火花出現[1]

吉爾伯特首先發明的靜電驗電器versorium)是一種可以偵測靜電電荷的驗電器。當帶電物體接近金屬指針的尖端時,因為靜電感應,異性電荷會移動至指針的尖端,指針與帶電物體會互相吸引,從而使得指針轉向帶電物體。

1600年,英國醫生威廉·吉爾伯特,對於電磁現象做了一個很仔細的研究。他指出琥珀並非唯一經過摩擦時會產生靜電的物質,並且區分出電與磁不同的屬性[2]。他撰寫了第一本闡述電和磁的科學著作《論磁石》。吉爾伯特創建了新拉丁語的術語「electricus」(類似琥珀,從「ήλεκτρον」,「elektron」,希臘文的「琥珀」),意指摩擦後吸引小物體的性質[3]。這聯結給出了英文字「electric」和「electricity」,最先出現於1646年,湯瑪斯·布朗Thomas Browne)的著作《Pseudodoxia Epidemica》(英文書名《Enquries into very many received tenets and commonly presumed truths》)[4]。隨後,於1660年,科學家奧托·馮·格里克發明了可能是史上第一部靜電發電機electrostatic generator)。他將一個硫磺球固定於一根鐵軸的一端,然後一邊旋轉硫磺球,一邊用干手摩擦硫磺球,使硫磺球產生電荷,能夠吸引微小物質[5]

史蒂芬·戈瑞Stephen Gray)於1729年發現了電傳導,電荷可以從一個物質傳導至另外一個物質。只有一些物質會傳導電荷,其中,金屬的能力最為優良。從此,科學家不再認為產生電荷的物體與所產生的電荷是不可分離的,而認為電荷是一種獨立存在的物質,在那時被稱為電流體(electric fluid)[6]。1733年,查爾斯·琽費Charles du Fay)將電分為兩種,玻璃電琥珀電。這兩種電會彼此相互抵銷。當玻璃與絲巾相摩擦時,玻璃會生成玻璃電;當琥珀與毛皮相摩擦時,琥珀會生成琥珀電。這理論稱為電的雙流體理論。使用一根帶電絲線,就可以知道物質到底擁有玻璃電還是琥珀電。擁有玻璃電的物質會排斥帶電絲線;擁有琥珀電的物質會吸引帶電絲線[3]

在十八世紀,走在電學最前端的專家非班傑明·富蘭克林莫屬。他認為電的單流體理論比較正確。他想像電儲存於所有物質裡,並且通常處於平衡狀態,而摩擦動作會使得電從一個物體流動至另一個物體。例如,他認為累積的電是儲存於萊頓瓶的玻璃,用絲巾摩擦玻璃使得電從絲巾流動至玻璃。這流動形成了電流。他建議電量低於平衡的物體載有負的電量,電量高於平衡的物體載有正的電量。他任意地設定玻璃電為正電,具有多餘的電;而琥珀電為負電,缺乏足夠的電。同時期,威廉·沃森也達到同樣的結論。1747年,富蘭克林假設在一個孤立系統內,總電荷量恆定,這稱為電荷守恆定律[6]

庫侖扭秤torsion balance

十八世紀後期,在數量方面對於電的研究開始有實質的發展。1785年,使用查爾斯·庫侖約瑟夫·普利斯特里分別獨立發明的扭秤torsion balance),庫侖證實了普利斯特里的基本定律:載有靜態電荷的兩個物體之間感受的作用力與距離成平方反比。這奠定了靜電的基本定律[6]

1897年,劍橋大學卡文迪許實驗室約瑟夫·湯姆孫觀察到陰極射線會因為電場或磁場而偏轉,他推論陰極射線是由帶負電的粒子所組成,後來稱為電子。從陰極射線的偏轉,他計算出電子的電荷質量比,因此獲得了1906年的諾貝爾物理學獎

1904年,湯姆森創立了原子梅子布丁模型:原子的結構被類比於梅子布丁,負電荷(梅子)分散於正電荷的圓球(布丁)。這模型被歐尼斯特·拉塞福拉塞福散射實驗於1909年推翻。拉塞福又提出拉塞福模型:大多數的質量和正電荷,都集中於一個很小的區域(原子核);電子則包圍在原子核區域的外面。

1909年,美國物理學家羅伯特·密立根做了一個著名實驗,稱為油滴實驗,可以準確地測量出電子的電荷量。湯姆孫和學生約翰·湯森德John Townsend)使用電解的離子氣體來將過飽和水蒸氣凝結,經過測量帶電水珠粒的電荷量,也得到了相似結果[7]。於1911年,亞伯蘭·約費Abram Ioffe)使用帶電金屬微粒,獨立地得到同樣的結果[8]

靜電[編輯]

假設在平衡狀況,某物體的總電量不等於零,也就是說,這物體帶有正電荷或負電荷,則稱此物體帶有靜電。這方面的問題屬於靜電學領域。琥珀在經過用貓毛摩擦後,能夠吸引輕小物體,這現象稱為的靜電現象。這是負電荷從貓毛轉移到琥珀後,所呈現的性。當兩個處於電勢不相等的物體相互接觸在一起,就會發生另外一種靜電現象,稱為靜電放電,使得一個物體的電荷流動至另一個物體,從而促成電勢相等。雷電是一種比較劇烈的靜電放電。在大自然中,因為雲層累積的正負電荷劇烈中和,會產生雷電和其所伴隨的電光雷聲熱量

點電荷[編輯]

一個正電荷與其電場線
一個負電荷與其電場線

帶電粒子時常被稱為電荷,但電荷本身並非粒子,只是為了方便描述,可以將它想像成粒子。帶電量多者稱為具有較多電荷。處於一外電場的帶電粒子,其所感受到的外電場的庫侖力相依於其帶電量。

點電荷是帶電粒子的理想模型。真正的點電荷並不存在,只有當帶電粒子之間的距離超大於粒子的尺寸,或是帶電粒子的形狀與大小對於彼此相互施加的作用力的影響能夠被忽略時,可稱此帶電體為「點電荷」。

一個實際帶電體能否視為點電荷,不僅與帶電體本身有關,還取決於問題的性質和精確度的要求。點電荷是建立基本規律時必要的抽象概念,也是分析複雜問題時不可少的分析手段。例如,庫侖定律勞侖茲力定律的建立,帶電體所產生的電場以及幾個帶電體之間彼此相互作用的定量研究,試驗電荷的引入等等,都應用了點電荷的觀念。

庫侖定律[編輯]

給予兩個電量分別為,位置分別為的點電荷。根據庫侖定律,點電荷作用於點電荷的力量的大小與方向,以方程式表達為

假若兩個點電荷同性(電荷的正負號相同),則其電量的乘積是正值,兩個點電荷互相排斥。反之,假若兩個點電荷異性(電荷的正負號相反),則其電量的乘積是負值,兩個點電荷互相吸引。

束縛電荷與自由電荷[編輯]

有時候,雖然物體的總電量等於零,電荷分布可能會不均勻(例如,因為存在着外電場)。對於這狀況,這物質稱為電極化物質束縛電荷是由於電極化而出現的電荷,束縛於原子內部。與束縛電荷明顯不同,自由電荷是從外部置入的額外的電荷,不被束縛於原子內部。帶電粒子朝着某方向的運動形成了電流,特別是在金屬內部運動的電子。

粒子的電荷[編輯]

粒子物理學中,許多粒子都帶有電荷。電荷在粒子物理學中是一個相加性量子數,電荷守恆定律也適用於粒子,反應前粒子的電荷之和等於反應後粒子的電荷之和,這對於強相互作用弱相互作用電磁相互作用都是嚴格成立的。

反粒子帶有的電荷與對應粒子帶有的電荷,電量相同,電性相異。夸克帶有非整數電荷,不是-e/3,就是2e/3;但是科學家從未觀察到單獨夸克的存在(這事實可以用漸近自由Asymptotic freedom)的理論來解釋)。

電荷宇稱時間對稱[編輯]

電荷宇稱時間對稱CPT-symmetry)對於粒子和反粒子的相對特性設下了強烈的約束。因此,可以嚴格地測試這理論。例如,質子反質子的電荷的總和必須正好等於零。這全等式的精確度已經作實驗測試至108分之一。使用潘寧阱Penning trap)來囚禁反質子,質子和反質子的電荷質量比相等性質的精確度也被測試至6×109分之一[9]

電荷守恆[編輯]

電荷守恆定律表明,在一個孤立系統裏,不論發生什麼變化,總電荷必定保持不變。所有物理程序都必須遵守這定律。在量子力學里,從波函數規範不變性可以推導出這定律。

流入某體積的淨電流為

其中,是電流,是電流密度,是包圍體積的閉曲面,是微小面向量元素,垂直於從體積內朝外指出。

應用散度定理,將這方程式寫為

總電荷量與體積內的電荷密度的關係為

電荷守恆要求,流入體積的淨電流,等於體積內總電荷量的變率:

所以,

對於任意體積,上述方程式都成立。所以,可以將被積式提取出來:[10]

注釋[編輯]

  1. ^ 可暫不去理會這個名詞,而理解為電荷量必為某一特定常數的整數倍。

參考文獻[編輯]

  1. ^ Stewart, Joseph, Intermediate Electromagnetic Theory, World Scientific: pp. 50, 2001, ISBN 9-8102-4471-1 
  2. ^ Simpson, Brian, Electrical Stimulation and the Relief of Pain, Elsevier Health Sciences: pp. 5–6, 2003, ISBN 0-4445-1258-6 
  3. ^ 3.0 3.1 Baigrie, Brian, Electricity and Magnetism: A Historical Perspective, Greenwood Press: pp. 7–8, 36, 2006, ISBN 0-3133- 3358-0 
  4. ^ Chalmers, Gordon, The Lodestone and the Understanding of Matter in Seventeenth Century England, Philosophy of Science, 1937, 4 (1): pp. 75–95, doi:10.1086/286445 
  5. ^ Williams, Henry, A History of science, Volume 2, Harper: 170, [1904], ISBN 978-1151497598 
  6. ^ 6.0 6.1 6.2 Whittaker, ET, A history of the theories of aether and electricity. Vol 1, Nelson, London: pp. 37–44, 56, 1951 
  7. ^ Dahl, Per F., Flash of the Cathode Rays: A History of JJ Thomson's Electron, CRC Press: 72, 176-181, 1997, ISBN 0750304537 
  8. ^ Kikoin, Isaak K.; Sominskiĭ, Isaak S., Abram Fedorovich Ioffe (on his eightieth birthday), Soviet Physics Uspekhi  , 1961 , 3: 798–809, doi:10.1070/PU1961v003n05ABEH005812  參數|journal=值左起第23位存在換行符 (幫助);
  9. ^ G. Gabrielse, Antiproton mass measurements, International Journal of Mass Spectrometry, 2006, 251 (2–3): 273–280, doi:10.1016/j.ijms.2006.02.013 
  10. ^ Griffiths, David J., Introduction to Electrodynamics (3rd ed.), Prentice Hall: pp. xiv, 213, 1998, ISBN 0-13-805326-X 

參見[編輯]